JP6559969B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂枠部材が設けられる枠付き電解質膜・電極構造体と、前記枠付き電解質膜・電極構造体を挟持するセパレータと、を備える燃料電池に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。

電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、燃料電池が構成されている。この燃料電池は、所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

電解質膜・電極構造体では、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減させるとともに、薄膜状で強度が低い前記固体高分子電解質膜を保護するために、樹脂枠部材を組み込んだ樹脂枠付きＭＥＡが採用されている。

樹脂枠付きＭＥＡとして、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体が知られている。この樹脂枠付きＭＥＡは、第１電極と該第１電極よりも外形寸法の大きな第２電極とが、固体高分子電解質膜の両側に設けられる電解質膜・電極構造体と、前記固体高分子電解質膜の外周を周回して設けられる樹脂製枠部材とを備えている。

樹脂製枠部材は、第１電極の外周側に突出して固体高分子電解質膜の外周縁部に当接する内周端部を有し、前記内周端部は、前記固体高分子電解質膜と前記第１電極の外周部との境界部位に配置される角部が、断面曲面形状に構成されている。

このため、樹脂枠付きＭＥＡに荷重が付与された際、樹脂製枠部材の内周端部が固体高分子電解質膜に食い込むことがなく、前記固体高分子電解質膜の損傷を良好に抑制することが可能になる、としている。

特開２０１３−９８１５５号公報

上記の特許文献１では、樹脂製枠部材の内周端部と固体高分子電解質膜の外周縁部とは、接着剤により一体化されている。ところが、反応ガスは、接着剤を透過する場合がある。従って、例えば、アノード側の燃料ガスは、接着剤を透過してカソード側に流入するおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、反応ガスの透過を可及的に抑制することができ、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とを強固且つ良好に接合することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に第１及び第２電極が個別に設けられ且つ前記第１電極の外形寸法が前記第２電極に比して小さい電解質膜・電極構造体を有し、前記固体高分子電解質膜の外周を周回し且つ前記第１電極が収容される開口が形成された樹脂枠部材が設けられる枠付き電解質膜・電極構造体を備えている。枠付き電解質膜・電極構造体は、セパレータにより挟持されている。

燃料電池は、内側に開口が形成された環状体からなり、前記開口近傍の内側端部と、外周縁部近傍の外側端部とを含む枠状フィルムを備える。内側端部は、固体高分子電解質膜と第２電極との間に介装される。一方、外側端部は、該固体高分子電解質膜の外周端部に重なり合う部位から該固体高分子電解質膜の外方に延在し、接合層を介して前記樹脂枠部材と重なり合っている。そして、枠状フィルムは、一方のセパレータと樹脂枠部材とにより挟持されている。

また、固体高分子電解質膜は、一方の電極よりも大きな外形寸法を有することが好ましい。その際、樹脂枠部材は、固体高分子電解質膜の外周端部が配置される第１平面部と、前記外周端部の端面に対向する段差部を介して第１平面部の厚さよりも大きな厚さを有し、枠状フィルムの外側端部が配置される第２平面部とを設けている。そして、段差部の高さは、外周端部の厚さと同等に設定されることが好ましい。

本発明によれば、固体高分子電解質膜の外周端部に重なり合って外方に延在し、樹脂枠部材と重なり合う枠状フィルムを備え、前記枠状フィルムは、一方のセパレータと樹脂枠部材とにより挟持されている。このため、簡単な構成で、反応ガスの透過を可及的に抑制することができ、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とを強固且つ良好に接合することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成する樹脂枠部材の要部断面斜視図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池１０は、例えば、矢印Ａ方向（水平方向）又は矢印Ｃ方向（重力方向）に複数積層されて燃料電池スタックを構成する。燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。

燃料電池１０は、枠付き電解質膜・電極構造体１２を第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６で挟持する。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、横長（又は縦長）の長方形状を有する（図１参照）。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成される。

燃料電池１０の長辺方向である矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向（積層方向）に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、冷却媒体入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２２ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔１８ａ、冷却媒体入口連通孔２０ａ及び燃料ガス出口連通孔２２ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔１８ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔２０ａは、冷却媒体を供給し、燃料ガス出口連通孔２２ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔２２ａ、冷却媒体出口連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔１８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔２２ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔２０ｂは、冷却媒体を排出するとともに、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂは、酸化剤ガスを排出する。

第１セパレータ１４の枠付き電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路２４が形成される。燃料ガス流路２４は、入口ブリッジ部２６ａを介して燃料ガス入口連通孔２２ａと連通するとともに、出口ブリッジ部２６ｂを介して燃料ガス出口連通孔２２ｂとに連通する。入口ブリッジ部２６ａは、後述する第１シール部材３４により一体成形される島状部を有し、該島状部間に燃料ガス入口連通路が形成される。出口ブリッジ部２６ｂは、同様に第１シール部材３４により一体成形される島状部を有し、該島状部間に燃料ガス出口連通路が形成される。

第２セパレータ１６の枠付き電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路２８が設けられる。酸化剤ガス流路２８は、入口ブリッジ部３０ａを介して酸化剤ガス入口連通孔１８ａと連通するとともに、出口ブリッジ部３０ｂを介して酸化剤ガス出口連通孔１８ｂとに連通する。入口ブリッジ部３０ａは、後述する第２シール部材３６により一体成形される島状部を有し、該島状部間に酸化剤ガス入口連通路が形成される。出口ブリッジ部３０ｂは、同様に第２シール部材３６により一体成形される島状部を有し、該島状部間に酸化剤ガス出口連通路が形成される。

互いに隣接する第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２０ａと冷却媒体出口連通孔２０ｂとに連通する冷却媒体流路３２が形成される。冷却媒体流路３２は、燃料ガス流路２４が形成された第１セパレータ１４の裏面形状と、酸化剤ガス流路２８が形成された第２セパレータ１６の裏面形状とが重なり合って形成される。

第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材３４が一体化される。第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材３６が一体化される。

図２に示すように、第１シール部材３４は、面１４ａ側に設けられ、枠付き電解質膜・電極構造体１２を構成する樹脂枠部材４４（後述する）に当接する第１凸状シール３４ａを有する。第１シール部材３４は、面１４ｂ側に設けられ、隣接する第２セパレータ１６の第２シール部材３６の平坦面に当接する二重シールである第２凸状シール３４ｂ及び第３凸状シール３４ｃを有する。第２シール部材３６は、面１６ａ側に設けられ、第１シール部材３４に当接する第４凸状シール３６ａを有する。なお、第４凸状シール３６ａに代えて、第１シール部材３４に凸状シール（図示せず）を設けてもよい。

第１シール部材３４及び第２シール部材３６には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

枠付き電解質膜・電極構造体１２は、図２に示すように、段差ＭＥＡである電解質膜・電極構造体１２ａを備える。段差ＭＥＡとは、一方の電極の平面寸法と他方の電極の平面寸法とが異なる、すなわち、段差を有するＭＥＡである。詳細は、後述する。電解質膜・電極構造体１２ａは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するアノード電極４０及びカソード電極４２とを有する。固体高分子電解質膜３８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。

カソード電極４２は、固体高分子電解質膜３８及びアノード電極４０よりも小さな平面寸法（外形寸法）を有する。なお、上記の構成に代えて、アノード電極４０は、固体高分子電解質膜３８及びカソード電極４２よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。また、アノード電極４０とカソード電極４２とは、同一の平面寸法で且つ固体高分子電解質膜３８よりも小さな平面寸法に設定されてもよい。

アノード電極４０は、固体高分子電解質膜３８の一方の面３８ａに接合される第１電極触媒層４０ａと、前記第１電極触媒層４０ａに積層される第１ガス拡散層４０ｂとを設ける。第１電極触媒層４０ａは、第１ガス拡散層４０ｂよりも小さな平面寸法に設定されるが、同一の平面寸法に設定されてもよい。

カソード電極４２は、固体高分子電解質膜３８の面３８ｂに接合される第２電極触媒層４２ａと、前記第２電極触媒層４２ａに積層される第２ガス拡散層４２ｂとを設ける。第２電極触媒層４２ａ及び第２ガス拡散層４２ｂは、同一の平面寸法を有する。なお、第２電極触媒層４２ａと第２ガス拡散層４２ｂとは、互いに異なる平面寸法に設定されてもよい。

第１電極触媒層４０ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が第１ガス拡散層４０ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第２電極触媒層４２ａは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が第２ガス拡散層４２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。第１ガス拡散層４０ｂ及び第２ガス拡散層４２ｂは、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。第１電極触媒層４０ａ及び第２電極触媒層４２ａは、固体高分子電解質膜３８の両方の面３８ａ、３８ｂに形成される。

枠付き電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜３８の外周を周回して接合される樹脂枠部材４４を備える。樹脂枠部材４４は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）等で構成される。樹脂枠部材４４は、その他、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィンで構成してもよい。

図１〜図３に示すように、樹脂枠部材４４は、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６間に挟持される厚肉部４４ａを設け、前記厚肉部４４ａの先端（第１セパレータ１４に当接する端部）は、平面状を有する。厚肉部４４ａの内側端部には、内方に突出する薄肉状の内側膨出部４４ｂが設けられる。厚肉部４４ａの外側端部には、外方に突出して第１シール部材３４の第１凸状シール３４ａが当接する薄肉状の外側膨出部４４ｃが設けられる。

内側膨出部４４ｂには、固体高分子電解質膜３８の外周端部３８ｅが接合される第１平面部４６ａと、前記外周端部３８ｅの端面３８ｅｆに対向する段差部４８ａを介して前記第１平面部４６ａの厚さよりも大きな厚さを有する第２平面部４６ｂとが設けられる。第２平面部４６ｂには、後述する枠状フィルム５０の外側端部５０ｂが配置される。段差部４８ａの高さは、外周端部３８ｅの厚さと同等に設定される。第２平面部４６ｂの外側端部には、段差部４８ｂを介して厚肉部４４ａが連結される。

枠付き電解質膜・電極構造体１２は、枠状フィルム５０を備える。枠状フィルム５０は、固体高分子電解質膜３８の面３８ａとアノード電極４０の第１ガス拡散層４０ｂとの間に内側端部５０ａが介装される。枠状フィルム５０は、固体高分子電解質膜３８の外周端部３８ｅに重なり合って外方に延在し、外側端部５０ｂが樹脂枠部材４４の第２平面部４６ｂと重なり合う。枠状フィルム５０の外形寸法は、固体高分子電解質膜３８の外形寸法と同じであってもよく、本実施形態では、段差部４８ｂまで伸びている。

枠状フィルム５０は、固体高分子電解質膜３８の外周端部３８ｅ及び樹脂枠部材４４の第２平面部４６ｂに接着又は溶着される接合層５２を設ける。図２に示すように、枠状フィルム５０の外側端部５０ｂは、第１セパレータ１４と樹脂枠部材４４とにより挟持される。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔１８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２２ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２０ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔１８ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路２８に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２ａのカソード電極４２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２２ａから第１セパレータ１４の燃料ガス流路２４に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路２４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２ａのアノード電極４０に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１２ａでは、カソード電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４０に供給される燃料ガスとが、第２電極触媒層４２ａ及び第１電極触媒層４０ａ内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。

次いで、カソード電極４２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極４０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２０ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路３２に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔２０ｂから排出される。

この場合、本実施形態では、図２に示すように、枠状フィルム５０は、固体高分子電解質膜３８の外周端部３８ｅに重なり合って外方に延在し、樹脂枠部材４４の第２平面部４６ｂと重なり合っている。そして、枠状フィルム５０の外側端部５０ｂは、第１セパレータ１４と樹脂枠部材４４とにより挟持されている。

このため、例えば、燃料ガス流路２４を流通する燃料ガスは、第１ガス拡散層４０ｂを透過した後、固体高分子電解質膜３８の外周端部３８ｅと枠状フィルム５０との間を通過することがない。

従って、簡単な構成で、燃料ガスが燃料ガス流路２４から酸化剤ガス流路２８側に透過することを可及的に抑制することができる。これにより、電解質膜・電極構造体１２ａと樹脂枠部材４４とを、強固且つ良好に接合するとともに、ガス透過を可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。

しかも、樹脂枠部材４４は、固体高分子電解質膜３８の外周端部３８ｅが配置される第１平面部４６ａと、段差部４８ａを介して前記第１平面部４６ａよりも厚さ方向に大きな第２平面部４６ｂとを設けている。そして、段差部４８ａの高さは、外周端部３８ｅの厚さと同等に設定されている。このため、枠状フィルム５０は、固体高分子電解質膜３８の外周端部３８ｅから第２平面部４６ｂに亘って平坦状の接合層５２を設けることができる。従って、枠状フィルム５０は、外周端部３８ｅから第２平面部４６ｂに亘って、容易且つ強固に接合されるという利点がある。

なお、本実施形態では、燃料電池１０は、１枚のＭＥＡを一対のセパレータにより挟持して構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、第１セパレータ、第１ＭＥＡ、第２セパレータ、第２ＭＥＡ及び第３セパレータの順に積層された発電ユニットを有し、各発電ユニット間に冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却構造の燃料電池を採用してもよい。

１０…燃料電池 １２…枠付き電解質膜・電極構造体
１２ａ…電解質膜・電極構造体 １４、１６…セパレータ
２４…燃料ガス流路 ２８…酸化剤ガス流路
３２…冷却媒体流路 ３４、３６…シール部材
３８…固体高分子電解質膜 ４０…アノード電極
４２…カソード電極 ４４…樹脂枠部材
４４ａ…厚肉部 ４４ｂ…内側膨出部
４４ｃ…外側膨出部 ４６ａ、４６ｂ…平面部
４８ａ、４８ｂ…段差部 ５０…枠状フィルム
５０ａ…内側端部 ５０ｂ…外側端部
５２…接合層

Claims (2)

1. 固体高分子電解質膜の両面に第１及び第２電極が個別に設けられ且つ前記第１電極の外形寸法が前記第２電極に比して小さい電解質膜・電極構造体を有し、前記固体高分子電解質膜の外周を周回し且つ前記第１電極が収容される開口が形成された樹脂枠部材が設けられる枠付き電解質膜・電極構造体と、
   前記枠付き電解質膜・電極構造体を挟持するセパレータと、
   を備える燃料電池であって、
   内側に開口が形成された環状体からなり、前記開口近傍の内側端部と、外周縁部近傍の外側端部とを含む枠状フィルムを備え、
   前記内側端部は、前記固体高分子電解質膜と前記第２電極との間に介装され、
   前記外側端部は、前記固体高分子電解質膜の外周端部に重なり合う部位から該固体高分子電解質膜の外方に延在し、前記樹脂枠部材と重なり合い且つ接合層を介して該樹脂枠部材に接合されるとともに、一方のセパレータと前記樹脂枠部材とにより挟持されることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記固体高分子電解質膜は、前記一方の電極よりも大きな外形寸法を有し、
   前記樹脂枠部材は、前記固体高分子電解質膜の外周端部が配置される第１平面部と、
   前記外周端部の端面に対向する段差部を介して前記第１平面部の厚さよりも大きな厚さを有し、前記枠状フィルムの外側端部が配置される第２平面部と、
   を設けるとともに、
   前記段差部の高さは、前記外周端部の厚さと同等に設定されることを特徴とする燃料電池。

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